基于人工神经网络的红壤坡面水土流失预测模型

基于坡面土壤侵蚀产流产沙的复杂非线性特点,引用三层前馈型BP网络建模方法,对红壤坡面土壤侵蚀产流产沙进行模拟,其中产流预测模型输入层变量数为5个,分别代表降雨量、最大30min雨强、前期降雨量、降雨动能、水保措施作用系数,输出层变量为次降雨径流损失量;产沙预测模型输入层变量数为7个,分别代表降雨量、最大30min雨强、前期降雨量、降雨动能、降雨侵蚀力、水保措施作用系数、径流量,输出层变量为次降雨土壤流失量,并利用5年田间试验所得到的坡面产流产沙实测数据,对神经网络进行模拟训练和预测,取得了较好的效果。该模型的建立与求解,为复杂的红壤坡面土壤侵蚀规律研究提供了一条新途径。     

坡面入渗的人工神经网络模型研究

根据野外人工模拟降雨试验得到的不同耕作措施下坡面土壤入渗实测资料，引入人工神经网络建模方法，建立了不同耕作措施，如等高耕作、人工掏挖、人工锄耕和直线坡条件下坡面入渗BP网络模型，并利用实测资料对网络进行了训练和预测，取得了较好的结果，说明该模型的建立与求解为复杂坡面土壤入渗规律的研究提供了一条新途径。     

坡面产沙BP神经网络模型研究

根据四川井研县坡耕地实验点对不同坡度、不同耕作方式情况下水土流失的实测资料 ,引入神经网络建模方法 ,建立了不同坡度下顺坡垄作和横坡垄作的次降雨产沙网络模型 ,得出前次降雨因子即前次降雨量、前次降雨强度及此两次降雨间隔天数对本次降雨产沙影响很大 ,不可忽略。针对复杂的非线性坡面产沙系统 ,BP网络模型比传统的回归模型能更好地刻画其本质特征。这不仅揭示了坡耕地水土流失的内在机理 ,同时为定量研究顺坡垄作改为横坡垄作的水土保持效益提供了科学依据。     

黔中喀斯特地区坡面种植措施对土壤水分及产流产沙的影响

[目的] 探讨黔中喀斯特地区坡面种植措施对土壤水分及坡面产流产沙特征的影响,为黔中地区坡面水土流失防治提供科学依据。[方法] 基于贵州省龙里羊鸡冲水土保持监测站径流小区2014—2018年野外定位观测资料,采用相关分析及显著性检验等方法分析并探讨了黔中喀斯特地区降雨及不同种植措施对土壤水分、坡面产流及产沙特征的影响。[结果] ①不同种植措施土壤含水率大小顺序为：杨梅 > 桃树 > 树莓 > 杨树 > 梨树 > 杨树+墨西哥柏 > 草地 > 墨西哥柏 > 玉米（等高耕作）,土壤含水率与降雨量呈显著正相关。②坡面多年产流及产沙均以等高耕作（玉米）及水保林中的杨树种植措施为最大,水土保持效果最差;水土保持效果最好的为经果林种植措施,其中又以桃树种植措施效果最好。③各种植措施产流、产沙量分别与平均降雨强度及30 min最大降雨强度（I₃₀）存在正相关性关系。除杨树+墨西哥柏及杨梅种植措施外,研究区其他7种种植措施坡面产流产沙与降雨量之间均存在显著正相关（p<0.05）。[结论] 与坡耕地相比较,经果林、水保林及生态恢复草地措施可不同程度提高土壤含水率,同时降低产流量、产沙量,坡面土壤抗侵蚀能力得以增强,并有效降低土壤侵蚀风险。     

喀斯特土石异质坡面产流产沙规律

侵蚀性降雨是引起喀斯特黄壤坡面水土流失的主要动力因子。采用贵州省遵义市浒洋水流域2018—2020年4个径流小区92次侵蚀性降雨产流产沙实测数据,研究次降雨条件下,裸露坡面和块石出露小区对产流产沙的影响。结果表明:(1)侵蚀性降雨可以分为A、B、C 3类,A类降雨是造成喀斯特黄壤坡面土壤侵蚀的主要雨型。侵蚀性降雨的标准为次降雨量＞6.6 mm或I₃₀＞3.6 mm/h。(2)裸露坡面63.27%的侵蚀性降雨径流深＜0.4 mm,66.30%的侵蚀性降雨土壤流失量＜1 g/m²,坡面土壤侵蚀量主要是由个别的次降雨所贡献。比较3类降雨,产流产沙的规律总体上表现为A雨型＞C雨型＞B雨型。(3)土壤流失量主要是由径流深决定,径流深直接决定着坡面产沙的多少。A类降雨中20 mm降雨量是喀斯特黄壤坡面径流深和土壤流失量明显增加的突变值。(4)3类降雨下,块石出露增加了坡面产流量,产流量随着出露率的增加而变大。但产沙量的变化比较复杂,A类降雨下,产沙量随着块石出露率的提高呈明显增加。研究结果对喀斯特坡面水土流失治理和土壤侵蚀预报模型的建立具有重要意义。     

坡度对农业耕作措施水土保持作用的影响

农业耕作措施是水土保持三大措施之一,在坡耕地水土保持中起关键作用。利用人工模拟降雨试验方法,对不同坡度条件下农业耕作措施水土保持作用进行了研究。农业耕作措施包括等高耕作、人工掏挖和人工锄耕,以平整坡面为对照措施;降雨试验在长4m,宽1m的径流小区完成;坡度为5°,10°,15°,20°,25°;降雨强度为1,1.5,2mm/min。结果表明:与平整坡面相比,等高耕作、人工掏挖和人工锄耕分别减小产流量38.19%,32.25%和15.84%;减小产沙量均在50%以上,说明农业耕作措施具有明显的水土保持作用。通过对坡度与产流量、产沙量关系分析表明,在耕作坡面,坡度会影响产流量,但是大坡度与小坡度之间差异不显著。相反,坡度对产沙量具有显著影响,在小坡度条件下,产沙量受坡度的影响较小。当坡度大于15°后,坡度每增加1°,等高耕作、人工掏挖和人工锄耕耕作措施保土作用平均降低3.08%,4.74%和7.61%。回归分析表明产沙量与坡度之间存在指数函数关系。可见,坡度对农业耕作措施保水作用和保土作用的影响不同。     

不同雨强与坡度对沂蒙山区典型土壤坡面侵蚀产沙的影响

通过室内人工模拟降雨试验研究降雨强度、坡度两因素与沂蒙山区典型土壤坡面产沙的关系。结果表明:土壤侵蚀量随雨强、坡度的增大而增加,但增加幅度不同。降雨强度、坡度的增大会加速坡面细沟的出现及其演变,且细沟的产生会引起产沙率急剧增加,并表现出一定的波动性。对于棕壤,小雨强时,坡面变化是影响坡面侵蚀产沙的主要因素,当雨强逐渐增大时,雨强对侵蚀产沙的影响逐渐超过坡度。对于褐土,雨强一直是影响坡面侵蚀产沙过程的主导因子。在相同雨强、坡度条件下,棕壤坡面的产沙率、土壤侵蚀量始终要高于褐土。     

室内模拟降雨条件下径流侵蚀产沙试验研究

降雨及其产生的径流是引起黄土高原土壤侵蚀的主要动力,开展黄土区降雨产流产沙过程研究可为土壤侵蚀过程模型研发奠定基础,为水土保持与生态建设提供重要科学依据。利用室内模拟降雨试验,研究了不同植被格局条件下的坡面侵蚀产沙、径流、入渗规律及相关关系。研究结果表明,裸坡坡面下,雨强是影响径流的主要因素,径流贡献率为87%;坡度是影响产沙的主要因素,产沙贡献率为76%;在大雨强或陡坡条件下,这种趋势更加明显。模拟降雨条件下,坡面含水量以坡面中下部最大,坡面中部居中,坡面上部最小。坡面植被覆盖对侵蚀产沙的影响大于坡度因素的影响;相同覆盖度条件下,植被空间位置对水沙调控作用大小顺序依次为:坡底>坡中>坡顶。随植被覆盖率的增加,径流总量呈幂函数减小趋势,产沙总量和径流含沙量呈指数函数减小趋势,植被对水沙调控作用逐渐增强。本文研究成果对于深入理解流域径流产流产沙过程具有重要意义,可为相关的模型研究提供可靠的试验支持。     

鄂东南花岗岩红壤不同土层侵蚀过程

为了探讨不同降雨动能条件下花岗岩红壤各层次(淋溶层、淀积层、母质层)在坡面侵蚀过程中的产流产沙特征,研究采用室内人工模拟降雨试验方法,对其水动力学参数变化特征及其与土壤侵蚀速率之间的定量关系进行了研究。结果表明:(1)降雨动能对各层次土壤坡面的产沙产流特征影响显著。随着降雨动能增加,各层次土壤初始产流时间不断递减,且径流含沙量和总产沙量均不断增大;(2)各层次土壤之间的侵蚀规律差异显著。初始产流时间、径流含沙量及总产沙量均表现出显著差异; 通过回归分析,发现土壤侵蚀速率与降雨动能之间有良好的线性关系;(3)水流功率和单位水流功率与土壤侵蚀速率均呈显著的相关性,且能够用幂函数准确地描述它们之间的关系,引入土壤黏粒含量可使得模型更加可靠,在实际应用中有更广的应用范围和现实价值。综上,降雨动能和土壤质地对花岗岩红壤坡面侵蚀的形成和发展过程具有显著影响。     

等高耕作对不同坡度坡面土壤侵蚀过程的影响

等高耕作是一种典型的农业耕作措施,通过影响坡面填洼、入渗等进而影响坡耕地坡面土壤侵蚀过程。通过人工模拟降雨试验,设计降雨强度(90 mm/h)、5个地表坡度(3°,5°,10°,15°,20°)以及2种坡面处理(等高耕作和平整坡面),对径流强度、侵蚀率、径流含沙量、减流减沙效益等指标进行综合对比分析,与平整坡面进行比较,探究了黄土高原坡耕地等高耕作措施对坡面土壤侵蚀过程的影响。结果表明：(1)与平整坡面相比,等高耕作明显延缓坡面初始产流时间,使初始产流时间延迟11.58～31.91 min,随着坡度增大,等高耕作初始产流时间延长效应逐渐减弱。(2)等高耕作具有削弱径流强度和侵蚀率的作用,与平整坡面相比,等高耕作的坡面径流强度、侵蚀率和径流含沙量分别减少11.77%～94.92%,20.69%～99.27%和2.46%～88.40%。但等高耕作减少产流产沙能力有限,若坡面发生断垄,等高耕作坡面的径流强度、侵蚀率、径流含沙量都可能接近或大于平整坡面。(3)在降雨过程中,累计产沙量与累计径流量之间满足线性正相关关系,等高耕作累计产沙量随累计径流量的增大幅度始终小于平整坡面。(4)等高耕作在不...     

黄土区不同土地经营方式径流量神经网络模拟

基于黄土坡面降雨—径流关系的复杂性和非线性,引用3层前馈型BP网络模型,对不同土地经营方式(草灌地、刈割地、翻耕地)径流量进行模拟,以植被盖度、降雨强度、坡度、土壤前期含水率和土壤容重5个因子作为输入层变量,次降雨下径流量作为输出层变量。利用野外人工模拟降雨试验所得到的不同降雨强度下各类土地经营径流小区的径流量实测资料,对网络进行模拟训练并预测,径流量平均误差不超过10%,且径流量较大的翻耕地训练精度及预测结果较草灌地、刈割准确性更高些。与传统回归统计方法进行了误差比较,结果表明,该模型能更好地预测次降雨的径流量。     

降雨条件下耕作方式对地表糙度的溅蚀效应

地表糙度是影响坡耕地土壤侵蚀的主要因素之一,为了进一步明确耕作方式对地表糙度的侵蚀效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就单雨强与组合雨强条件下耕作方式对溅蚀的作用以及地表糙度的变化进行了研究。结果表明,从对照坡面,经耙耱地、人工锄耕、人工掏挖到等高耕作方式的坡面,在雨强0.62 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡溅蚀量呈先增加再减小的变化,向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;除耙耱地外,其他耕作方式坡面的地表糙度呈减小的变化。在雨强1.53 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡、向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;地表糙度与对照坡面相反,均呈增加的变化。组合雨强条件下,随降雨强度的增加,耙耱地总溅蚀量与地表糙度呈一直增加的变化趋势;其他耕作方式下,随降雨强度的增加,坡面总溅蚀量呈先增加后减小的变化趋势,地表糙度却呈先减小后增大的变化。这为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地的水土流失治理。     

黑土区垄作方式对坡耕地土壤侵蚀的调控效果

[目的]分析黑土区不同垄作方式对坡耕地土壤侵蚀的调控效果,为该区土壤侵蚀防治提供科学指导。[方法]在5°和10°坡耕地开展人工模拟降雨试验,降雨强度为50,100 mm/h,垄作方式包括：横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟,对照处理为传统顺坡垄作。[结果]试验条件下,与顺坡垄作处理相比,横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟处理均可有效调节径流、降低土壤侵蚀量,但不同垄作方式对径流和侵蚀的调控效果随着降雨强度和坡度的增加而减小。在5°坡耕地,横坡垄作方式对径流和侵蚀的调控效果最佳,产流率和土壤侵蚀速率分别稳定在15.0 mm/h和0.2 kg/(m~2·h)以下。在50,100 mm/h降雨强度下,与顺坡垄作处理相比,其径流量分别降低92.3%和83.9%,土壤侵蚀量分别降低96.8%和94.6%;而垄向区田方式对径流和侵蚀的调控效果略大于顺垄+底部横垄处理。在10°坡耕地,横坡垄作方式在降雨前期具有较好的蓄水保土作用,但在降雨后期垄体易损坏,造成土壤侵蚀量剧增;横垄+排水沟方式在降雨前期能够蓄水保土,在降雨后期能够较好地进行排水。[结论]在坡度平缓的坡耕地,应...     

黄土区不同土地利用方式下径流量的神经网络模拟

基于黄土坡面降雨径流关系的复杂性且非线性特性。引用3层前馈型BP网络模型,对不同土地利用方式（草灌地、刈割地、翻耕地）径流量进行模拟,以植被盖度、降雨强度、坡度、土壤前期含水率和土壤容重5个因子作为输入层变量,次降雨下径流量作为输出层变量,并利用野外人工模拟降雨试验所得到不同降雨强度下各类土地利用径流小区的径流量实测资料,对网络进行模拟训练和预测,取得了较好的结果,平均误差不超过10％。研究结果表明,与传统回归统计方法进行了,误差比较,该模型的预测精度更高。     

黑土区坡耕地横坡垄作措施防治土壤侵蚀的土槽试验

为了研究黑土区坡耕地横坡垄作防治坡面土壤侵蚀的效应,该文利用8 m×1.5 m的试验土槽,设计3个降雨强度(50、75和100 mm/h)、1个典型坡度(5°)以及横坡垄作和无垄作(平坡裸地对照试验)的试验处理进行模拟降雨试验,研究东北黑土区横坡垄作坡面在不同降雨强度下的防治坡面侵蚀效应。结果表明:横坡垄作在50 mm/h降雨强度下坡面基本不发生土壤侵蚀,但在75和100 mm/h降雨强度下会发生断垄,造成防蚀效应急剧降低。横坡垄作坡面的径流和侵蚀过程均明显存在以断垄时间为界的突变,在3个降雨强度下,横坡垄作断垄前可使坡面径流量和侵蚀量分别减少97.7%和99.1%以上,坡面蓄渗率达到97.2%以上;而断垄后坡面径流量和侵蚀量分别增加23.3~25.9倍和136.8~171.5倍,蓄渗率下降至50%以下。试验研究表明横坡垄作在≤50 mm/h的降雨强度下具有很好的坡面防治侵蚀效应,但当遇到强降雨时易发生断垄,防蚀效应急剧降低。     

不同耕作措施对黑土坡耕地土壤侵蚀的影响

针对黑龙江省西部半干旱区土壤流失情况,在坡耕地径流小区通过野外人工模拟降雨试验,研究不同降雨强度、不同耕作措施下降雨产沙产流特征和过程。试验结果表明:降雨强度越大,对地表径流量和侵蚀量的影响越大,即雨强与径流量和泥沙量呈正相关,各种耕作措施的土壤流失顺序是顺坡垄裸地>横坡垄裸地>等高种植地>深松地>秸杆覆盖地>垄向区田地,植被覆盖地能有效控制水土流失,垄向区田地是这几种耕作措施中减少坡耕地水土流失的有效措施。     

清耕对赤红壤果园坡面土壤侵蚀特征的影响

为探究降雨和管理措施对南方赤红壤果园坡面土壤侵蚀特征的影响,基于野外原位径流小区观测试验,探讨清耕和刈割处理下赤红壤果园坡面土壤侵蚀特征。结果表明:2018年研究区降雨主要集中在5—9月,2019年主要集中在3—8月,2018—2019年研究区80%以上降雨是侵蚀性降雨。2018年、2019年果园坡面年径流量和侵蚀量及次降雨下坡面径流量、侵蚀量均表现为清耕处理>刈割处理,且与径流量相比,二者的侵蚀量差异更为明显。次降雨下,2018年不同处理下果园坡面径流泥沙量在3—4月变化平稳且差异小,5—9月出现了不同程度的波动,且与刈割处理相比,清耕处理波动幅度更大; 2019年不同处理下坡面径流量在2—3月,7—9月波动较大,4—7月变化平缓,但侵蚀量在年内整体波动较大。与清耕处理相比,刈割处理可以减少暴雨和大暴雨降雨等级下果园坡面径流量; 同时刈割处理下中雨、大雨和暴雨降雨等级下果园坡面侵蚀量显著降低,且暴雨降雨等级下的降低作用尤为明显。刈割和清耕处理下坡面径流量与降雨历时呈显著相关关系,与降雨量呈极显著相关关系。研究结果可为南方红壤丘陵区果园坡面水土流失的防治提供理论依据和参考。     

中国黄土地区耕作侵蚀模拟

耕作侵蚀是国际上新近开展的一个研究领域。为了对中国黄土地区的耕作侵蚀规律进行定量描述,采用施放小立方块作为示踪材料进行耕作试验及测量来示踪和监测土壤运动,并通过相关分析与理论推导,对该地区的耕作侵蚀进行了模拟,获得了能够直接计算出坡面剖面任何一点净侵蚀模数的耕作侵蚀模型,结果表明,在采用当地由动物牵引的传统犁在坡面上自下而上进行往返横坡等高向下翻土耕作方式下:1)一次耕作导致的耕层土壤朝坡向方向平均水平运动距离随坡度的变化表现为线性相关;2)一次耕作导致的坡面剖面任何位置耕层断面的净侵蚀模数,受土壤容重、耕作深度、土壤与耕作条件决定的系数和地形曲率的影响。